光学基板、半导体发光元件以及半导体发光元件的制造方法技术

光学基板(1)在表面设置有凹凸结构(12)，所述凹凸结构(12)包括独立的多个凸部(131～134)以及设置于各凸部(131～134)之间的凹部(14)。凹凸结构(12)的相邻的凸部(131～134)间的平均间隔Pave满足50nm≤Pave≤1500nm，且具有相对于平均凸部高度Have满足0.6Have≥hn≥0的凸部高度hn的凸部(133)以满足1/10000≤Z≤1/5的概率Z存在。若将光学基板(1)用于半导体发光元件中的话，通过使半导体层中的位错分散化并降低位错密度，能够改善内量子效率IQE，且利用光散射消除波导模式来提高光提取效率LEE，提高半导体发光元件的发光效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学基板、半导体发光元件以及半导体发光元件的制造方法
本专利技术涉及一种光学基板、半导体发光元件以及半导体发光元件的制造方法。更详细地说，涉及一种在表面形成有凹凸结构的光学基板以及使用该光学基板的半导体发光元件和其制造方法、及对其进行适当管理的方法。
技术介绍
近年，为了使OLED、荧光体、LED等半导体发光元件的效率提高，对自半导体发光元件的光提取效率的改善进行研究。这样的半导体发光元件具有内部包含发光部的高折射率区域被低折射率区域夹持的构成。因此，在半导体发光元件的发光部所发出的发射光成为在高折射率区域内部进行波导的波导模式，被封闭在高折射率区域内部，在波导过程中被吸收，变成热量而衰减。这样，半导体发光元件存在不能将发射光取出至半导体发光元件的外部，光提取效率大幅降低的问题。在LED元件的情况下，如以下说明的那样，能够通过对光提取效率LEE和内量子效率IQE或者光提取效率LEE和电子注入效率EIE同时进行改善，制造高效率的LED元件。以蓝色LED代表的GaN系半导体元件是在单晶基板上通过外延生长，对n型半导体层、发光层、p型半导体层进行层叠而被制造的。作为单晶基板，一般采用蓝宝石单晶基板或SiC单晶基板。然而，由于在蓝宝石晶体和GaN系半导体晶体之间存在晶格失配，所以在GaN系半导体晶体内部会产生位错(例如，参照非专利文献1)。该位错密度达到1×109个/cm2。由于该位错，LED的内量子效率、即半导体的发光效率下降，结果导致外量子效率降低。又，GaN系半导体层的折射率比蓝宝石基板的折射率大。因此，在半导体发光层内产生的光不会以临界角以上的角度从蓝宝石基板和GaN系统半导体层的界面出射。即，形成波导模式，在波导过程中变成热量而衰减。因此，光提取效率下降，结果导致外量子效率下降。又，在使用折射率非常大的SiC基板作为单晶基板的情况下，不会以临界角以上的角度从SiC基板和空气层的界面产生光，因此与使用了蓝宝石基板的情况同样，生成波导模式，光提取效率LEE降低。即，由于半导体晶体内部的位错缺陷而引起内量子效率下降，且由于波导模式的形成而导致光提取效率降低，因此LED的外量子效率大幅降低。因此，提出了一种在单晶基板上设置凹凸结构，改变半导体晶体层上的光的波导方向以提高光提取效率的技术(例如，参照专利文献1)。又，提出有将设置在单晶基板上的凹凸结构的大小设为纳米尺寸，随机配置凹凸结构的图案的技术(例如，参照专利文献2)。另外，报告称，如果设置在单晶基板上的图案尺寸是纳米尺寸的话，则相比于微米尺寸的图案，可提高LED的发光效率(例如，参照非专利文献2)。进一步，提出有为使电子注入效率EIE提高，在p型半导体层的上表面设置凹凸结构，降低与透明导电膜的接触电阻的GaN系半导体元件(例如，参照专利文献3)。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2003-318441号公报专利文献2：日本特开2007-294972号公报专利文献3：日本特开2005-259970号公报非专利文献非专利文献1：IEEEphoto.Tech.Lett.,20,13(2008)非专利文献2：J.Appl.Phys.,103,014314(2008)
技术实现思路
专利技术要解决的课题然而，作为决定表示LED发光效率的外量子效率EQE(ExternalQuantumEfficiency)的关键因素，列举有电子注入效率EIE(ElectronInjectionEfficiency)、内量子效率IQE(InternalQuantumEfficiency)以及光提取效率LEE(LightExtractionEfficiency)。其中，内量子效率IQE依赖于以GaN系半导体晶体的晶体失配为原因的位错密度。通过由在单晶基板上设置的凹凸结构引起的光散射，GaN系半导体晶体层内部的波导模式被消除，由此，光提取效率LEE得到改善。进一步，通过降低p型半导体层与由ITO、ZnO、In2O3、SnO2等氧化物构成的透明导电膜的界面电阻，改善电子注入效率EIE。尤其是由于ITO的透明导电材料是n型导电体，因此很容易在其与p型半导体层的界面形成肖特基势垒，由此欧姆性降低，接触电阻容易增加。因此，可通过在与p型半导体层的界面上形成凹凸结构，使接触面积增加，提高欧姆接触而得到改善。即，作为在单晶基板上设置的凹凸结构的效果，列举有下述三项：(1)通过降低半导体晶体内的位错来改善内量子效率IQE，(2)通过消除波导模式来改善光提取效率LEE，(3)通过提高欧姆接触来提高电子注入效率EIE。然而，在专利文献1中记载的技术中，虽然通过(2)的效果，光提取效率LEE得以改善，但是(1)降低半导体晶体内的位错的效果较小。通过在单晶基板表面设置凹凸来减少位错缺陷的理由在于，由于凹凸的存在，半导体晶体层的化学蒸镀(CVD)的生长模式被扰乱，随着半导体晶体层的生长而产生的位错相互碰撞而消失。因此，只要存在仅相当于位错密度的凹凸就能有效地减少位错，但如果是比位错密度少的凹凸数的话，则降低位错的效果有限。例如，位错密度1×109个/cm2换算为纳米级的话，相当于10个/μm2，位错密度1×108个/cm2相当于1个/μm2。在5μm×5μm(□5μm)内设置2个左右的凹凸的话，则凹凸密度为0.08×108个/cm2，在500nm×500nm(□500nm)内设置2个左右的凹凸的话，则凹凸密度为8×108个/cm2。这样，如果将凹凸的尺寸设为纳米级的间隔，则对于降低位错密度具有较大效果，因此对内量子效率IQE的改善是有效的。然而，如果凹凸密度变密，则对于光的散射效果减小，(2)的波导模式消除的效果也会减小。LED的发光波长在可见光区域，尤其是白色LED所使用的GaN系LED的发光波长为450～500nm。为了得到充分的光散射效果，凹凸的尺寸优选为波长的2～20倍左右，纳米级的话效果较小。又，在专利文献3中记载的技术中，需要将凹凸结构的间隔以及深度设定成纳米级，所形成的凹凸结构对光提取效率LEE的改善并不充分。其原因在于，需要根据p型半导体层的吸收系数的大小将其厚度设定为数百nm左右，必然变成与凹凸结构的大小同等的数量级。另一方面，LED的发光波长在可见光范围内(450nm～750nm)，采用与波长同程度的尺寸的凹凸结构的话，则存在其光提取效率LEE变低的问题。这样，采用现有技术的话，对于LED的发光效率的三个效果，即(1)通过半导体晶体内的位错的分散化和位错密度的降低来改善内量子效率IQE、(2)通过利用光散射消除波导模式来改善光提取效率LEE、(3)通过提高欧姆接触来提高电子注入效率EIE，其中作为半导体发光元件中的凹凸结构的效果(作用)，(1)和(2)以及(2)和(3)为彼此处于折衷选择的关系，不一定能够形成最合适的结构。即，现有的技术中，存在越提高内量子效率IQE，则光提取效率LEE的改善效果越小，越提高电子注入效率EIE，则光提取效率LEE的改善效果越小的问题。本专利技术是鉴于以上所涉及的几点而做出的，其目的在于，提供一种能够同时解决互相折衷选择的LED元件的光提取效率LEE的提高和内量子效率IQE的改善、或者光提取效率LEE的提高和电子注入效率EIE的提高的光学基板以及半导体发光元本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学基板，其具备基板和在所述基板的表面的一部分或整个面上形成的凹凸结构，其特征在于，所述凹凸结构中至少一部分的区域具有被相互分离配置的多个凸部，且所述多个凸部包括具有第一高度的多个第一凸部和具有比所述第一高度低的第二高度的多个第二凸部，相邻的所述第一凸部间的平均间隔Pave满足下述式(1)，式(1)50nm≤Pave≤1500nm并且，所述第二凸部具有相对于所述凹凸结构的平均凸部高度Have满足下述式(2)的关系的凸部高度hn，且所述第二凸部在所述凹凸结构中以满足下述式(3)的概率Z而存在：式(2)0.6Have≥hn≥0式(3)1/10000≤Z≤1/5。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.02 JP 2012-084208;2012.04.27 JP 2012-103491.一种光学基板，其具备基板和在所述基板的表面的一部分或整个面上形成的凹凸结构，其特征在于，所述凹凸结构中至少一部分的区域具有被相互分离配置的多个凸部，且所述多个凸部包括具有第一高度的多个第一凸部和具有比所述第一高度低的第二高度的多个第二凸部，所述第一凸部不夹着所述第二凸部地与至少一个其他的第一凸部相邻，所述相邻的所述第一凸部间的平均间隔Pave满足下述式(1)，式(1)50nm≤Pave≤1500nm并且，所述第二凸部具有作为所述第二高度的凸部高度hn，该凸部高度hn相对于所述凹凸结构的平均凸部高度Have满足下述式(2)的关系的凸部高度hn，且所述第二凸部在所述凹凸结构中以满足下述式(3)的概率Z而存在：式(2)0.6Have≥hn≥0式(3)1/10000≤Z≤1/5。2.根据权利要求1所记载的光学基板，其特征在于，所述区域仅由所述多个凸部构成，且所述概率Z满足1/1000以上、1/10以下。3.根据权利要求2所记载的光学基板，其特征在于，隔着所述第二凸部而相邻的第一凸部间的平均距离Tcv-ave和所述相邻的第一凸部的平均间隔Pave满足下述式(4)的关系：式(4)1.0Pave＜Tcv-ave...

【专利技术属性】
技术研发人员：古池润，三田村哲理，山口布士人，
申请(专利权)人：旭化成电子材料株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP